CN100350423C - 读/写装置和包括该装置的用于检票的自动检票机 - Google Patents

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Abstract

一种天线单元，通过抑制读/写装置的天线线圈段形成的旁瓣而避免了通信错误。该天线单元(200)用于读/写装置(20)，该读/写装置的信号处理电路(210)和(220)通过电磁波与IC卡(10)进行通信，其中IC卡(10)的天线线圈(100)相对的靠近该天线单元(200)。天线单元(200)包括在衬底(201)上形成环形天线(202)的天线线圈段，和在天线线圈外围基本与该天线线圈处于相同平面的导体段(203)。

Description

读/写装置和包括该装置的用于检票的自动检票机
技术领域
本发明涉及一种读/写装置和包括该读/写装置的用于检票的自动检票机，特别是涉及该读/写装置的结构。
背景技术
这种无线信息发送器/接收器包括无线信息存储介质(以下称为“IC卡”)和读/写装置。例如，该无线信息发送器/接收器可以应用在自动检票机上，用于检查乘客的票，或者用于入口控制系统。
该IC卡具有一环形天线，IC芯片与该环形天线的端子连接，和在塑料卡衬底的主要表面上的调谐电容。该读/写装置包括一环形天线，一调制-解调电路，和一CPU。该读/写装置通过将13.56MHz载波调制有发送数据的电流传送到环形天线，来向该IC卡发送数据，并通过传送未调制电流到环形天线，而从IC卡接收到数据。
当IC卡的环形天线距离读/写装置的环形天线更近时，IC卡的环形天线的端子就会产生由电磁感应而引起的感应电压。相应的，IC芯片接收到稳定的电源电压，并将调制波形解调，以便接收该读/写装置发送的数据。当IC芯片发送其存储器内存储的数据时，IC芯片通过依据该数据而改变其中的负载来切换终端阻抗。读/写装置检测负载变化，并将其解调，以便从IC卡接收数据。从而，IC卡和读/写装置可相互通信。随后，读/写装置的更高级系统，例如计算机或其他外部信息处理系统，使用该数据例如来检查乘客的票，或者控制入场情况(参见日本未审专利的申请公开号No.10-13312)。
在这种读/写装置的环形天线202中，电流i的流动会产生磁通量H，如图11所示。图12中的虚线箭头示出了沿图11中的XII-XII线，在环形天线外围的复合磁通量。即，在环形天线202内部，由于沿环形天线202边缘而产生的磁通量的方向是相同的，从而在环形天线202的中央产生了具有最大值的方向向上的磁场。相反地，在环形天线202的外部，沿环形天线202的两个相邻边缘而产生的磁通量的方向与沿着相对的两个相邻边缘而产生的磁通量的方向是相反的。因此，在这些磁通量复合后，产生了方向向下的磁场的磁通量。
由于读/写装置的电源是13.56MHz的AC电源，因此将只说明环形天线202的一侧。图13中的虚线表示产生的磁场，用于形成通信空间以便与IC卡通信。即，如图13所示，在环形天线202内部产生的主要通信空间M，也被称为“主瓣”，在环形天线202的中心具有最大值，同时在环形天线202的外围产生较小的子通信空间S，也被称为“旁瓣”。
如图13的箭头所示，如果IC卡10在一个方向上由旁瓣S穿过主瓣M(图13中从左至右)，则有时会发生通信错误。
也就是，当IC卡10穿过第一旁瓣S时，在IC卡10中产生了感应电压。IC卡10从读/写装置接收到初始数据，然后将该初始数据发送到读/写装置。在读/写装置接收到该初始数据后，IC卡10穿过旁瓣S和主瓣M之间的边界B，其中并未产生足够大的磁场来产生预定的感应电压。由于IC卡的电源被临时阻断，因此只有IC卡被初始化。
随后，IC卡10进入主瓣M。虽然IC卡试图从读/写装置接收初始数据，但读/写装置试图继续旁瓣S中的先前通信。结果，读/写装置将IC卡和读/写装置之间的此通信失配，认为是一个通信错误。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种读/写装置的天线单元，可以通过抑制读/写装置的天线线圈段中形成的旁瓣来避免通信错误，以及提供一种包含该天线单元的读/写装置和信息处理系统，和用于该天线单元的通信方法，还提供一种用于制造该天线单元的方法。
根据本发明，在读/写装置中包含一天线单元，该读/写装置的信号处理电路通过电磁波与无线信息存储介质通信，该通信是通过将无线信息存储介质的天线线圈靠近该天线单元而实现的。该天线单元包括形成在衬底上的环形天线线圈段，和在天线线圈段的外围形成的基本与天线线圈相同平面的多个导体段。
根据本发明，导体段位于天线线圈段的外围，用于抑制天线线圈段的外围出现旁瓣。
在导体段的主要表面上垂直地形成由具有均匀厚度的导体(理想情况下，是具有均匀电阻的理想导体)而产生的电场。由于此处形成的电磁场垂直于该电场，因此不存在垂直于导体段的电磁场。相应的，当无线信息存储介质的天线线圈平行的靠近导体段时，在天线线圈中不产生感应电压，从而避免了它们之间的通信。根据本发明，由于有多个导体段位于天线线圈段的外围，因此在多个导体段相关的区域中没有创建通信空间。在所需的区域中创建此非通信空间抑制了通信错误。
根据本发明，导体段可以位于天线线圈段外围的任何位置。为了抑制通信错误，该导体段最好位于天线线圈段外围的所有区域中；然而，导体段也可以仅位于当无线信息存储介质靠近时可能出现通信错误的区域中。也就是，无线信息存储介质偶然靠近的周边区域可能依赖于天线线圈的安装位置，设计布置，和该读/写装置的预定用途。根据情况而选择适当的位置和区域可抑制通信错误，使天线线圈段小型化，并减少成本。
根据本发明的天线线圈段可以是任何形状；它可以是矩形环，圆形环，或任何其他形状。矩形环的天线线圈需要在其至少一个边缘的外围设置一个导体段。
对本发明进行以下修改是有利的：若天线线圈段外围的导体段是彼此电连接的，则该多个导体段形成一个线圈，从而可能对天线线圈段的通信引起负效应。因此，该多个导体段的至少一部分是电绝缘的，以便使这些导体段是电间断的。
对本发明进行以下修改也是有利的：可以按照与天线线圈段相同的导电图样而形成多个导体段。为了用相同的材料形成天线线圈段和导体段，可以在绝缘衬底的主表面上形成一个导电层，然后通过蚀刻形成环形天线线圈段和多个导体段。
通过在绝缘衬底上形成导电图样来创建天线线圈段，从而可以以相同的制造步骤来形成多个导体段。相对于将其他步骤中制造的导体段接合在天线线圈段的外围的制造方法，本方法可以提供低成本天线单元。此外，通过按照与天线线圈段相同的导电图样来形成多个导体段，可以改进导体段对天线线圈段的定位，从而进一步减少了通信错误的出现。并且，通过按照与天线线圈段相同的导电图样来形成多个导体段，相对于将在其他步骤中制造的导体段接合在天线线圈段的外围的制造方法，有利地减少了调谐频率的调整(adjustment)。
根据本发明的天线单元可被应用在读/写装置中，在该装置中，利用通过将无线信息存储介质的天线线圈与天线线圈段耦合所感应的电磁波，在信号处理电路和无线信息存储介质之间进行通信。
另外，可以将本发明的天线单元应用在包括一读/写装置的信息处理系统中，当无线信息存储介质相对靠近该读/写装置时，利用通过将无线信息存储介质的天线线圈与读/写装置的天线线圈段耦合所感应的电磁波，来执行该读/写装置中的通信。该信息处理系统包括，例如检票机，移动电话，和PDA，其中该检票机在数据的无线发射和接收后，处理该票据数据，该移动电话和PDA与非接触信息介质之间进行信息读写。
根据本发明，无线信息存储介质可以是任何类型。例如，它可以是IC卡，但是该无线信息存储介质并不局限于一种卡。例如，本发明的无线信息存储介质包括其中集成有IC芯片的信息技术设备，例如移动电话。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的无线信息发送器/接收器；
图2是图1中所示无线信息发射器/接收器的等效电路的框图；
图3是根据本发明实施例的整个天线单元的平面图；
图4是沿图3中IV-IV线的截面图；
图5是根据本发明另一实施例的整个天线单元的平面图；
图6是根据本发明又一实施例的整个天线单元的平面图；
图7是根据本发明又一实施例的整个天线单元的平面图；
图8是根据本发明又一实施例的整个天线单元的平面图；
图9是根据本发明实施例的天线单元的磁通量的截面图；
图10是根据本发明实施例的天线单元的磁场的截面图；
图11示出了已知天线单元的磁通量；
图12是图11中所示天线单元的磁通量的截面图；
图13是图11中所示天线单元的磁场的截面图；
图14示出了包括根据本发明实施例的读/写装置的自动检票机。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明一实施例的无线信息发送器/接收器的结构。图2是图1中所示无线信息发射器/接收器的等效电路的框图。
现在将参照图1和2来说明根据实施例的无线信息发送器/接收器。无线信息发送器/接收器1包括IC卡10和读/写装置20，分别对应于根据本发明的无线信息存储介质和读/写装置。
IC卡10具有自身构成一个天线的天线线圈100，IC芯片120，和调谐天线信号频率的调谐电容140。
IC芯片120引入有整流电路121，稳定电源[电路122，调制-解调电路123和124，存储器125，和CPU或程序装置126。通过与读/写装置20的无线通信来对存储器125进行数据读写。
读/写装置20包括：天线单元200，作为一个天线和对应于根据本发明的天线单元：调制-解调电路210；和CPU220。读/写装置20通过把13.56MHz载波上调制有发送数据的电流传送到天线线圈，从而将数据发送到IC卡10，并通过将未调制电流传送到天线线圈，而从IC卡10接收到数据。调制-解调电路210和CPU 220对应于根据本发明的信号处理电路。
当IC卡10靠近读/写装置20的天线线圈时，IC卡10的天线线圈100的端子就会产生由电磁感应而引起的感应电压。相应的，IC芯片120从该感应电压接收到稳定的电源电压，并将调制波形解调，以便接收该读/写装置20发送的数据。
另一方面，当IC芯片10将存储器125内存储的数据发送到读/写装置20时，IC卡10依据该数据而改变负载Z。读/写装置20检测IC卡10的天线线圈100的负载变化，并将其解调。从而，IC卡10将数据发送到读/写装置20。
这样，在IC卡10和读/写装置20之间可以发送和接收数据。随后，读/写装置20的更高级系统，例如主计算机或自动检票机中的信息处理器，可以使用该数据例如来检查乘客的票，或者控制人员入场情况。
图3是根据本发明实施例的整个天线单元的平面图。图4是沿图3中IV-IV线的截面图。
如图3和4所示，根据实施例的读/写装置20的天线线圈包括由聚酰亚胺(PI)树脂或聚乙烯萘甲醛(PEN)树脂制成的绝缘衬底201。该绝缘衬底201厚度例如为1mm。随后在该绝缘衬底201的其中一个主表面的大约中心处形成一个铜或铝制成的矩形环天线202。环形天线202两端的端子202a通过导线被连接到信号处理电路板，在该信号处理电路板上安装有调制-解调电路210和CPU 220。
在基本位于绝缘衬底201中心的环形天线202的四个折边的外围，按照与环形天线202相同的铜或铝的导电图样形成多个导体段203。该导体段203对应于根据本发明的旁瓣抑制装置。构成环形天线202的天线线圈段的导电图样和多个导体段203的厚度例如为16μm。特别的，导体段203的导电图样最好具有均匀厚度。
在图3所示的天线单元200中，四个矩形导体段203的每一个都形成在矩形环天线202的对应边缘外围，并具有预定的宽度。为了电绝缘的目的，导体段203是彼此分离的。位于环形天线202边缘外围的导体段203的长度，最好大于或基本等于环形天线202的各条边的长度。最好导体段203具有较大宽度。这是因为大于天线线圈段的长度和尽可能大的宽度易于抑制旁瓣S的出现。以下将详细说明。
然而，也可以根据无线信息发送器/接收器1的应用(例如，检票机的信息处理，入场控制，或登记信息处理)，天线单元200的位置和设计，或IC卡100的接近方向按下面的方法来制造导体段203。
图5到8是根据其他实施例的整个天线单元200的平面图。
图5中所示的天线单元200在绝缘衬底201的其中一个主表面上具有一矩形环天线202。在环形天线线圈202四条边中的三条边的外围形成有导体段203。如图6所示的天线单元200在绝缘衬底201的其中一个主表面上具有一矩形环天线202。在环形天线线圈202四条边中的两条边的外围形成有导体段203。此外，图7所示的天线单元200在绝缘衬底201的其中一个主表面上具有一矩形环天线202。在环形天线线圈202四条边中的一条边的外围形成有导体段203。
在这些修改例中，未设置导体段203的边缘的外围区域，根据天线单元200的位置最好用于IC卡10不会靠近或IC卡10难以靠近的区域。导体段203它们本身也占据空间，因此增加了天线单元200的尺寸。因此，通过将导体段203安装在能有效抑制由旁瓣S导致的通信错误的最小区域中，可使天线单元200小型化且经济实用。
图14示出了在铁路自动检票机中安装读/写装置的一个实施例。如图14所示，自动检票机30包括位于自动检票机30主体顶面上的读/写装置20，用于读取非接触IC卡10中存储的票据信息。矩形天线单元200位于自动检票机30顶面的入口侧，并通过天线线圈在向上的空间内产生一个主瓣，以便与非接触IC卡10通信。乘客经常会将IC卡10错误地伸出在通道方向上几乎不短于天线线圈的位置处，或者在天线线圈内边的外侧，也就是天线线圈段的乘客一侧的位置处。这种情况下，如图6所示，导体段203被设置在通道方向中离乘客较近的两条边上，如图6的箭头所示，而不设置在另两条边上。这种结构既可避免通信错误，还可提供小型化、低成本的天线单元200。导体段203可以被设置在最近端和最远端，而不在右侧和左侧。图5到7中示出的例子并不局限于自动检票机，还可以进行多种其他变化和修改。
另外，天线单元200的天线线圈段的形状并不局限于图3到7所示的矩形环。例如，也可以使用图8中所示的圆形环。在该例子中，在绝缘衬底201的其中一个主表面上形成该圆形环天线线圈段。在该天线线圈的外围，在天线线圈段外围的环形等角度间隔的位置上设置有四个导体段203。但是导体段203并不需要被设置在四个环形等角度间隔的位置处。可以将导体段203设置在圆形环天线线圈外围区域的至少一个部分中。
再次参见图3和4，可以通过将铜或铝膜结合在预定尺寸的绝缘衬底上，以制造绝缘衬底201和天线线圈段。将该铜或铝膜形成所需天线线圈段的图样，然后通过蚀刻去除不需要的部分。这种情况下，也可以在相同的形成图样和蚀刻步骤中形成导体段203。在相同的形成图样和蚀刻步骤中制造天线线圈段和导体段203，可以减少总的制造步骤和成本。另外，由于通过形成图样和蚀刻来形成天线线圈段和导体段203，因此可以显著提高定位精确性。另外，仅需要对调谐频率进行初始调谐，从而使调节显著简化。
这样就制成了天线单元200。另外，在天线单元200的两个主表面上形成由环氧树脂制成的填充树脂层204和由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的外部封装树脂层。图4只示出了形成填充树脂层204的例子。
下面将说明抑制出现旁瓣S的原理。
在导体段203的一个主表面上垂直形成一个电场E，该电场E由具有均匀厚度的导体段203产生。由于这里形成的电磁场H与电场E相垂直，因此不会出现垂直于导体段203的电磁场H。
图9和图10分别示出了本实施例天线线圈的磁通量和磁场的截面图。在图9和10中，在天线线圈段的两个相对边的外围处形成导体段203。如上所述，没有出现垂直于导体段203的主表面的电磁场H。在图9中，利用虚线示出了磁通量的分布。在图10中，虚线示出了对应该分布的磁场，其中主瓣M向导体段203伸展，即W变得比传统W更宽，而应当在与导体段203相关区域中出现的旁瓣S消失了。
随后，当IC卡10的天线线圈100平行地接近导体段203时，在天线线圈100中不会出现感应电压，这样IC卡10和读/写装置20之间不会进行通信，例如，初始信息的交换。这就避免了如上所述的由于旁瓣S导致的通信错误。而且主瓣M向导体段203扩展。
上述描述的实施例仅仅是示意性的说明，并不对本发明进行限定。因此在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以对实施例中描述的元件和它们的等效物进行多种变化和修改。
例如，虽然在上述实施例中，天线线圈形成在绝缘衬底201的一个表面上，但是该天线线圈也可以是由发送和接收天线线圈构成，这两个天线线圈可以分别安装在绝缘衬底201的两个表面上。这种情况下，导体段203可以被设置在绝缘衬底201的一个或两个表面上。
如上所述，根据本发明可以提供一种天线单元、一读/写装置、一信息处理系统和包括该天线单元的通信方法，其中天线单元可以通过抑制读/写装置的天线线圈段中形成的旁瓣来避免通信错误。还提供一种用于制造该天线单元的方法。

Claims (10)

1、一种读/写装置，包括：
一天线单元，包括一绝缘衬底，在该绝缘衬底上的一环形天线线圈，和在该天线线圈外围的多个导体段，该天线线圈和在该天线线圈外围的多个导体段基本处在相同平面内以产生一个垂直于所述导体段的主表面的电场，从而抑制天线线圈段的外围出现旁瓣；
无线通信装置，用于以天线线圈输出的电磁波形式对无线信息存储介质发送数据和从无线信息存储介质接收数据；和
一用于处理数据的处理电路。
2、如权利要求1所述的读/写装置，其中该环形天线线圈为矩形或圆形。
3、如权利要求2所述的读/写装置，其中该多个导体段被设置在矩形环天线线圈的至少一条边的外围。
4、如权利要求3所述的读/写装置，其中该多个导体段的长度大于或基本等于该矩形环天线线圈的其中一条边的长度，该多个导体段的宽度大于该矩形环天线线圈的宽度。
5、如权利要求1所述的读/写装置，其中该多个导体段是电间断的。
6、如权利要求1所述的读/写装置，其中该多个导体段被设置在无线信息存储介质的移动方向上，与天线线圈的近端和内侧相邻的区域中。
7、如权利要求1所述的读/写装置，其中该多个导体段被设置在无线信息存储介质的移动方向上，与天线线圈的近端和远端相邻的区域中。
8、如权利要求1所述的读/写装置，其中该多个导体段和天线线圈由单一导电材料制成。
9、如权利要求1所述的读/写装置，其中通过用蚀刻处理在绝缘衬底的主表面上形成一导电层来形成该多个导体段和天线线圈。
10、一种包括如权利要求1所述的读/写装置的用于检票的自动检票机，其中该读/写装置可与无线通信介质进行无线通信。
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